船舶人因照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 淵 夏 駿 傅曉紅 周祎隆

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年8月20日《2006年海事勞工公約》執(zhí)行生效，公約規(guī)定每名海員均有權(quán)獲得體面的船上工作和生活條件。由于船舶航行時(shí)間長(zhǎng)，船上環(huán)境嚴(yán)苛，船員的生活工作環(huán)境急需改善。船舶照明系統(tǒng)覆蓋全船，對(duì)船員的生理以及心理都有著重要的影響，是改善船員生活工作環(huán)境的重要切入點(diǎn)。

近年來(lái)，船舶照明設(shè)計(jì)得到越來(lái)越多的關(guān)注。王國(guó)權(quán)列述了不同艙室所需要的照度水平，提供了船舶艙室照度設(shè)計(jì)參考值。蘇士斌等引入DIALux照度計(jì)算工具，有助于優(yōu)化照明布置、提高照度計(jì)算精度。李震等提出了一種基于區(qū)域面積權(quán)重分配的艦船艙室照明設(shè)計(jì)方法，以艙室內(nèi)區(qū)域平均照度標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到艙室整體照明光通量，不同功能區(qū)域面積對(duì)應(yīng)不同權(quán)重因子，將室內(nèi)總需光通量按權(quán)重分配，該方法有助于室內(nèi)照明局部?jī)?yōu)化。王靜綺等提出了一種照明設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)并初步投入使用，能有效增加照明設(shè)計(jì)效率。文獻(xiàn)[7-9]指出LED照明在船舶照明系統(tǒng)中具有節(jié)能、穩(wěn)定和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了LED照明在船舶照明系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。

然而，當(dāng)前雖有不少文獻(xiàn)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足普通需求的船舶照明系統(tǒng)，卻鮮有文獻(xiàn)對(duì)不同艙室的照明需求進(jìn)行分析并提出滿(mǎn)足船上人員工作生活時(shí)身心需求的人性化船舶照明設(shè)計(jì)。

1 理論基礎(chǔ)

人類(lèi)視網(wǎng)膜上第3種感光細(xì)胞——神經(jīng)結(jié)細(xì)胞，可以根據(jù)進(jìn)入人眼的可見(jiàn)光產(chǎn)生生物性反應(yīng)，控制人體的生理節(jié)律、體溫、心率以及皮質(zhì)醇和褪黑激素的分泌等，對(duì)人體的身心狀態(tài)產(chǎn)生影響，這種效應(yīng)簡(jiǎn)稱(chēng)光生物效應(yīng)。皮質(zhì)醇是應(yīng)激激素，可以提高血糖濃度，給人體提供能量，控制人的警覺(jué)性；褪黑激素可以控制人的睡眠。研究顯示，1 000 lx以?xún)?nèi)，照度越高，光照促進(jìn)人體皮質(zhì)醇的分泌、抑制褪黑激素產(chǎn)生的能力越強(qiáng)，越能提高人的警覺(jué)性與注意力。基于現(xiàn)有的光生物效應(yīng)研究理論，可以針對(duì)不同船舶艙室的工作生活保障指標(biāo)設(shè)計(jì)照明方案，調(diào)節(jié)人體的生理狀態(tài)，提升環(huán)境舒適度。

照明的主要屬性包括照度、色溫和顯色指數(shù)。照度是指每單位面積所接受到的光通量，用于描述光照面的明暗；色溫用于描述光色冷暖；顯色指數(shù)是待測(cè)光源還原物體本來(lái)顏色的能力。傳統(tǒng)船舶室內(nèi)照明燈具以白熾燈及熒光燈為主，照明效果及控制方法單一。近年來(lái)，LED照明燈具在船舶照明系統(tǒng)中逐步得到推廣使用。表1對(duì)比了LED照明燈具與熒光燈特性。

表1 LED與熒光燈特性對(duì)比分析表

由表1可知，LED照明燈具相對(duì)于熒光燈而言，有多方面的優(yōu)勢(shì)：LED照明燈具的光譜幾乎全部集中在可見(jiàn)光區(qū)域，照明效率高達(dá)80%～90%，單體LED功率通常為0.5～1 W，光效為70～130 lm/W，能以較低的能耗提供同樣的照度水平；LED光源有暖白、白色和藍(lán)白等多種可選色溫，可以根據(jù)要求設(shè)定所需要的色溫；LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，可以通過(guò)控制電路靈活地控制光源參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。

基于LED的上述特性以及光生物效應(yīng)，船舶照明設(shè)計(jì)可以通過(guò)控制LED燈具的照度、色溫以及顯色指數(shù)等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同艙室的不同照明需求。

2 人性化照明設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)階段主要船型有集裝箱船、油船、散貨船、LNG船、客滾船、軍艦、科考船及豪華游輪等，本文所提出的設(shè)計(jì)方法對(duì)所有類(lèi)型的船舶均適用，尤其適用于科考船和豪華游輪等對(duì)船上環(huán)境要求較高的船型。

船舶照明系統(tǒng)包含正常照明、應(yīng)急照明以及臨時(shí)應(yīng)急照明系統(tǒng)。正常照明系統(tǒng)為船舶照明的主要部分，由主發(fā)電機(jī)經(jīng)主配電板供電；應(yīng)急照明在正常工況下由主發(fā)電機(jī)經(jīng)應(yīng)急配電板供電，在應(yīng)急工況下由應(yīng)急發(fā)電機(jī)經(jīng)應(yīng)急配電板供電；臨時(shí)應(yīng)急照明由直流24 V電源供電。正常工況下，正常照明與應(yīng)急照明同時(shí)提供照明功能，臨時(shí)照明不工作。本文所提出的船舶室內(nèi)照明設(shè)計(jì)方法基于正常工況，因此只考慮正常照明與應(yīng)急照明同時(shí)工作的情況，并且下文設(shè)計(jì)時(shí)只討論整體照明效果，不分正常以及應(yīng)急兩個(gè)系統(tǒng)討論。

船舶內(nèi)部少有自然光照明。出于水密性的要求，主船體只能設(shè)置采光面積有限且數(shù)量較少的舷窗，即使是白天，艙內(nèi)依然偏暗，需要燈光照明。上層建筑采光窗同樣較小，導(dǎo)致采光量少，而沒(méi)有面向外部空間壁面的中部艙室，自然光照更是無(wú)法獲得。因此，船舶照明設(shè)計(jì)主要考慮燈具本身的光照，本文將忽略自然光照的影響展開(kāi)研究。

本文所提出的照明設(shè)計(jì)方法旨在滿(mǎn)足船上人員在不同艙室的工作和生活的需要，幫助船上人員更好地工作和休息，設(shè)計(jì)步驟包括燈點(diǎn)數(shù)量選擇、照明燈點(diǎn)布置、DIALux軟件驗(yàn)證、色溫選擇、顯色指數(shù)設(shè)定以及控制方式選擇。

2.1 燈點(diǎn)數(shù)量選擇

基于現(xiàn)有的研究成果，對(duì)于船上人員警覺(jué)度專(zhuān)注度要求越高的艙室，選用越高的照度；例如會(huì)議室、閱覽室等艙室需要人員能夠保持較高的專(zhuān)注度，則需設(shè)計(jì)較高的照度。當(dāng)存在部分艙室在不同時(shí)間需要不同的照度時(shí)，可以選用調(diào)光開(kāi)光，或者選擇增加燈點(diǎn)，選擇分時(shí)點(diǎn)亮，在不同時(shí)間設(shè)定不同的照度值。例如住艙，睡前要求照度較低，有助于睡眠，早晨要求較高照度，有利于喚醒艙室人員。

常用照度設(shè)計(jì)計(jì)算方法有利用系數(shù)法、比功率法和逐點(diǎn)法，此處選用比功率法，根據(jù)所需照度值確定所需燈具總功率，從而得到燈點(diǎn)數(shù)。比功率計(jì)算方法如式（1）所示：

式中：為所需燈具總功率，W；W為單位面積所需功率（比功率值），W/m；為艙室面積，m。

對(duì)于LED燈，當(dāng)所需照度為×100 lx時(shí)，選用W≥×4 W/m，為正整數(shù)，從而可以求得總功率，繼而算得所需的最少燈點(diǎn)數(shù)。

2.2 照明燈點(diǎn)布置

由于船舶艙室種類(lèi)多樣且形狀多不規(guī)則，本文結(jié)合船艙工作、生活條件的照明保障指標(biāo)以及艙室形狀對(duì)燈具進(jìn)行分類(lèi)布置。視野內(nèi)的亮度對(duì)比過(guò)強(qiáng)而讓人產(chǎn)生的不舒適感（或者使觀(guān)看對(duì)象的可見(jiàn)度降低）即為眩光，會(huì)嚴(yán)重影響視覺(jué)感受，引起視覺(jué)不適、眼疲勞、頭痛和偏頭痛等癥狀。控制眩光需要合理的照度水平和適當(dāng)?shù)牧炼确植?，黃海靜提出控制室內(nèi)最大照度與最小照度對(duì)比值不超過(guò)5∶1，能有效控制眩光。為盡可能保證照明的均勻與美觀(guān)，本文選用“局部照明布置”以及“均勻照明布置”兩種布置方式，以實(shí)現(xiàn)合理的照度水平以及適當(dāng)?shù)牧炼确植肌?/p>

根據(jù)艙室特點(diǎn)，本文將船舶艙室分為三類(lèi)：有人員集中區(qū)的艙室為一類(lèi)艙室；無(wú)人員集中區(qū)以及不規(guī)則形狀的非機(jī)器設(shè)備間為二類(lèi)艙室；機(jī)器設(shè)備間為三類(lèi)艙室。一類(lèi)艙室有內(nèi)裝板，燈具不易受損，采用蓬頂燈嵌入式安裝，并采用蓬頂燈局部布置結(jié)合均勻布置方式；二類(lèi)艙室同樣有內(nèi)裝板，但無(wú)人員集中區(qū)或者形狀不規(guī)則，選用蓬頂燈均勻布置；三類(lèi)艙室無(wú)內(nèi)裝板，且有大量機(jī)器設(shè)備，燈具易受損，為考慮安全性，選用艙頂燈均勻布置。詳細(xì)艙室布置方案參見(jiàn)表2。

表2 艙室照明燈點(diǎn)布置選擇

2.3 DIALux軟件驗(yàn)證

通過(guò)DIALux軟件對(duì)設(shè)計(jì)艙室進(jìn)行建模，驗(yàn)證照度是否符合要求，若不符合則增加或減少燈點(diǎn)，直到離所需照度要求最接近；同時(shí)查看艙室內(nèi)最大照度與最小照度對(duì)比值不超過(guò)5∶1，若存在最大照度與最小照度對(duì)比值超過(guò)5∶1的情況，則調(diào)整燈點(diǎn)位置直至滿(mǎn)足要求。

2.4 色溫選擇

色溫是影響人體正性情緒和認(rèn)知能力的主效應(yīng)。黃海靜研究表明：相對(duì)于低色溫光源下，在中高色溫光源下，人體瞳孔變化小，注意力集中。因此，可以根據(jù)艙室功能對(duì)人員注意力集中性的需求選擇光源色溫。LED光源常用色溫為3 000～6 500 K，對(duì)于注意力集中要求高的艙室，可以選擇5 000～6 500 K的色溫，對(duì)注意力集中性要求一般的艙室，可以選擇4 000～5 000 K的色溫，需要放松環(huán)境的艙室，可以選擇3 000～4 000 K的色溫。

2.5 顯色指數(shù)設(shè)定

對(duì)于一般艙室，顯色指數(shù)一般要求＞80；對(duì)于實(shí)驗(yàn)室等對(duì)真實(shí)色彩還原能力要求較高的場(chǎng)所，顯色指數(shù)設(shè)定為90。目前，LED燈具顯色指數(shù)通常在80～90，可以滿(mǎn)足船上不同艙室的顯色指數(shù)需求。

2.6 控制方式選擇

在布置好燈點(diǎn)后，根據(jù)艙室內(nèi)設(shè)備使用情況選擇燈具控制方式，進(jìn)行系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。對(duì)于需要局部照明處所的照明回路，進(jìn)行單獨(dú)控制。例如會(huì)議室投影處燈光需要單獨(dú)控制，在投影時(shí)，可以將投影區(qū)域燈點(diǎn)關(guān)閉，色溫根據(jù)低照度要求時(shí)選擇。

下頁(yè)圖1為本設(shè)計(jì)方法的流程圖。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以某科考船為例，說(shuō)明本設(shè)計(jì)的可行性。首先根據(jù)艙室工作生活保障指標(biāo)選擇全船照度，結(jié)果如表3所示。

表3 艙室照度選擇

3.1 一類(lèi)艙室案例

選取該船會(huì)議室為例說(shuō)明。該會(huì)議室照度要求＞200 lx，面積為31.26 m，該艙室局部照明燈具類(lèi)型選擇200 W面板蓬頂燈，負(fù)責(zé)人員集中區(qū)（會(huì)議桌）照明。為使照明均勻，在過(guò)道增加8 W筒燈，則至少需要（31.26×8-200）/8≈6盞筒燈。

燈點(diǎn)數(shù)確定后，此處根據(jù)艙室形狀，選用14盞筒燈。將燈點(diǎn)按要求布置在艙室內(nèi)。在DIALux中，對(duì)艙室進(jìn)行建模計(jì)算，會(huì)議室3D模型如圖2所示，等照度線(xiàn)如下頁(yè)圖3所示。平均照度值為350 lx，工作面照度值大于300 lx，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖2 會(huì)議室3D模型

圖3 會(huì)議室點(diǎn)照度圖

會(huì)議室對(duì)人員注意力集中性要求高，色溫選擇5 000 K，顯色指數(shù)要求＞90；由于只有一扇門(mén)，控制方式只需選擇單聯(lián)開(kāi)關(guān)。

3.2 二類(lèi)艙室案例

選取該船某一高級(jí)船員套間為例說(shuō)明。該套間休息室所需照度為100 lx，面積為15.75 m；臥室照度睡前要求為50 lx，早起照度要求為100 lx，面積為6.44 m。該艙室燈具類(lèi)型選擇8 W筒燈，則休息室需要15.75×4/8≈8盞筒燈，臥室睡前需要6.44×2/8≈2盞筒燈，早起時(shí)需要4盞。

燈點(diǎn)數(shù)確定后，將燈點(diǎn)均勻分布于艙室內(nèi)。在DIALux中，對(duì)艙室進(jìn)行建模計(jì)算，此處臥室按睡前要求設(shè)計(jì)，艙室3D模型如下頁(yè)圖4所示，等照度線(xiàn)如圖5所示。休息室平均照度值為102 lx，臥室平均照度值為68 lx。照度值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 高級(jí)船員套間3D模型

圖5 高級(jí)船員套間點(diǎn)照度圖

此套間色溫選擇3 500 K，顯色指數(shù)要求＞80，控制采用各單間雙聯(lián)雙控開(kāi)關(guān)控制，設(shè)兩處開(kāi)關(guān)，方便操作。至此，完成該艙室照明設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以改善船上人員工作及生活條件為出發(fā)點(diǎn)，基于已有的光生物效應(yīng)理論，提出了一種人因船舶照明設(shè)計(jì)方法，對(duì)艙室照度、燈具布置、色溫以及顯色指數(shù)進(jìn)行設(shè)定，探討了照明控制方式，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟；而后，以實(shí)船項(xiàng)目為例，選取兩個(gè)典型的房間，介紹了該設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用。本文所提出的照明設(shè)計(jì)方法，為船舶照明設(shè)計(jì)提出了新的設(shè)計(jì)思路，能顯著改善船上人員的工作及生活環(huán)境。